单波束多波束测深基础知识

辅助设备对多波束数据质量的影响
横向安装偏差引起的位置偏差
• • • • 横向安装偏差造成波束点位置发生偏移，位于O＇右侧波束的位置偏差为： △p＝|H×tan(θ +α )－H×tanθ | ⑶ 位于O＇左侧波束的位置偏差为： △p＇＝|H×tan(θ -α )－H×tanθ | ⑷
辅助设备对多波束数据质量的影响
多波束性能指标
波束开角
波束开角首先由能量的最大覆盖宽度决定
多波束性能指标
波束角
· 等间隔基元换能器线阵越长或基元越多，则波束角越小。 · 波束角越小分辨率越高。
多波束性能指标
脉冲长度
• 脉冲越短，分辨率越高，脉冲越长，测深范围越大 • 脉冲长度应足够长以保证足够的量程，但是太长脉冲将给水深测量带来更 多噪声 • 用最短脉冲可获得最佳的分辨率 • 当在大水深满功率工作时，要增加脉冲长度以获得大量程。
辅助设备对多波束数据质量的影响
表面声速对测量结果的影响
1 0.8 0.6 0.4
) 角 度 偏 差 (°
+5m/s 0.5% 深 度 误 差 线 +4m/s +3m/s +2m/s +1m/s +0.5m/s
0.2 0
-0.5m/s -0.2 -0.4 -0.6 -0.8 -1 0 10 20 30 40 波 束 角 度 (° ) 50 60 70 80 -3m/s -4m/s -5m/s -1m/s -2m/s
辅助设备对多波束数据质量的影响
辅助设备
• GPS定位 • 罗经—Yaw
• 姿态—Roll、Pitch、Heave
• 声速—表面声速、声速剖面 • 潮位
辅助设备对多波束数据质量的影响
GPS定位
• GPS定位影响水深数据定位精度。 • GPS Latency 定位时间与测深时间不一致，存在微小时间差。 —GPS接收机要花时间解算位置 —GPS接收机还输出其他数据
海卓同创公司产品培训
单波束及多波束测深
目录
单波束测深原理 单波束测深特点 单波束数据处理
多波束系统组成
多波束系统工作原理 波束形成 多波束性能指标 辅助设备对多波束数据质量的影响
单波束测深原理
• 单波束测深原理
• 单波束测深仪的测深过程是采用换能器垂直向下发射短脉冲声波，当这个 脉冲声波遇到海底时发生反射，反射回波返回声纳，并被换能器接收。其 水深值由声波在海底间的双程旅行时间和水介质的平均声速确定：
• 纵向安装偏差造成的水深误差为：
辅助设备对多波束数据质量的影响
纵向安装偏差造成的位置误差
• 纵向安装偏差造成的位置误差为：
• △p＝H×tanβ ⑹ • 由⑹式可知，纵向安装偏差造成的位置误差与波束指向角θ 无关，仅与水 深H 和偏差角β 有关。
辅助设备对多波束数据质量的影响
Pitch误差造成沿航线方向的位移（水深点的位置误差），位移值与水深成正比，水深越大位移越大。
辅助设备对多波束数据质量的影响
表面声速对测量结果的影响
覆盖指标 最大波束角度 允许最大角度 偏差 允许最大表面 声速偏差 相对表面声速 偏差(%) 2倍 45.00 3倍 56.31 4倍 63.44 5倍 68.20 6倍 71.57 7倍 74.06 8倍 75.96
0.287
7.46
0.191
辅助设备对多波束数据质量的影响
• 谢谢！
辅助设备对多波束数据质量的影响
Yaw误差引起边缘波束水深点的位置误差，离中央波束越远，位置误差越大。
辅助设备对多波束数据质量的影响
姿态补偿
• Roll 横滚 • Pitch 俯仰 • Heave 升沉
辅助设备对多波束数据质量的影响
辅助设备对多波束数据质量的影响
横向安装偏差影响
• 假设海底平坦，水深为H，波束角为 φ ，图为换能器横向安装偏差影响示 意图，其中θ 为波束指向角，α 为换 能器横向安装偏差，r为斜距，△h、 △h＇分别为横向偏差造成的水深误 差，△p、△p＇分别为横向安装偏差 造成的位置误差，图中黑色实线代表 实际波束及真实海底，蓝色虚线表示 设计波束及假海底。
3.30
0.143
1.86
0.115
1.19
0.096
0.82
0.082
0.61
0.072
0.46
0.50
0.22
0.13
0.08
0.06
0.05
0.03
辅助设备对多波束数据质量的影响
声速剖面
辅助设备对多波束数据质量的影响
声速改正
辅助设备对多波束数据质量的影响
声线追踪
z0 c0
c
z0
0
0
zi
波束形成
发射波束
波束形成
接收波束
波束形成
波束形成—Mills Cross
多波束系统采用发射、接收指向性正交的两组换能器阵获得一系列垂直航向分布的窄波束。
多波束性能指标
多波束主要性能指标
• • • • • 1、声波频率 —影响测深范围 2、波束开角 —影响覆盖宽度 3、工作Ping率 —限制船速 4、波束角 5、脉冲长度
单波束数据处理
• 在数据处理成图过程中，为解决测深数据分布不均问题，均采用数据网格 化内插的方法来预测测线间数据空白区的水深变化情况和趋势。
单波束数据处理
单波束网格化数据内插处理缺陷
• 1、无法探测到尺度小于测线间的微地形。 • 2、通过网格化内插不仅会产生假地形，而且也会使测线上已经探测到的小 尺度微地形通过内插平滑而受到歪曲、夸大或抑制。 • 3、如果要提高精度，唯一方法是加密测线密度。
辅助设备对多波束数据质量的影响
横向安装偏差引起的深度偏差
• 横向安装偏差在斜距r转换为水深时，对测深产生影响，造成了海底地形的 倾斜[10]。当存在横向安装偏差时，实际测量水深应为H，而仪器设备读出 的水深为H×COSθ /COS（θ ﹢α ）。 • 最终得到位于O＇右侧波束水深偏差为： • △h＝|H×COSθ /COS（θ ﹢α ）－H| ⑴ • 同理，位于O＇左侧波束水深偏差为： • △h＇＝|H×COSθ /COS（θ -α ）－H| ⑵
辅助设备对多波束数据质量的影响
罗经
辅助设备对多波束数据质量的影响
• 换能器艏向安装偏差角为r，△x为沿测船航向的位置偏差，△y为垂直测船 航向的位置偏差，艏向安装偏差导致各波束以中央波束为中心旋转r大小， 黑色实线表示理论设计波束及地形，蓝色虚线表示实际测量波束及地形， 为方便研究，假设海底平坦，此时艏向安装偏差对测深无影响。 • 根据图可得，沿测船航向的位置偏差为： • △x＝H×tanθ ×sin r • 垂直测船航向的位置偏差为： • △y＝H×tanθ －H×tanθ ×cos r
辅助设备对多波束数据质量的影响
升沉
Heave造成整个条带沿航线波浪起伏
辅助设备对多波束数据质量的影响
声速对多波束测量的影响
• 在多波束测量过程中，需要使用到两种声速值：一种是多波束换能器深度 处的声速值，称之为表层声速，用于波束形成； • 另一种是水体各个深度处的声速值，称之为声速剖面，用于声线追踪以获 得波束点的位置与水深。
多波束系统组成
多波束系统工作原理
多波束是如何工作的？
• 多波束发射换能器发出一个声脉冲，在水中传播并被海底或行进中遇到的 其他物体所反射。 • 反射信号同时被探头内多个独立的声学基元接收。
波束形成
Βιβλιοθήκη Baidu
换能器-基阵
• 多波束探头由两部分组成： 发射基阵/发射换能器和接收基阵组成 • 发射基阵使声能集中 • 接收基阵抑制干扰
辅助设备对多波束数据质量的影响
• 如已知时间差T1，T2，我们就可以先对个别水听器的信号进行一定的时间 偏移以获得波前相长干涉，然后对各个水听器输出求和，就可得到对于入 射角θ 时的最大水听器阵输出。
将水听器3的信号加上水听器2延迟T2 的信号，再加上水听器1延迟T1的信 号（这个过程叫做导入时间延迟）， 这样可得到波束指向图主波瓣轴向转 向与垂直方向成θ 角的方向。
辅助设备对多波束数据质量的影响
表层声速的影响
• 对于所有Mills交叉类型平面多波束换能器，通过测量相邻接收单元的相位 差，以确定目标的方位角。在计算相位差时必须准确知道换能器处的水体 声速值。
辅助设备对多波束数据质量的影响
• A=d×sinθ, B=2d×sinθ • T2=A/c=(dsinθ)/c; c为当地声速 • T1=B/c=(2dsinθ)/c
• 式中，Dtr为换能器与海底间的距离；C是水体的平均声速；t是声波的双程旅行时间。
单波束测深原理
• 上述水深值Dtr中加上换能器吃水深度改正值（Δ Dd）和潮位改正值（Δ Dt）, 即得到实际水深D
单波束测深特点
• 单波束测深的特点是波束垂直向下发射，接收反射回波，因此声波旅行中 没有折射现象或折射现象可忽略不计（因入射角近于零），反射波能量占 回波能量的全部或绝大部分，其回波信号检测方法只需使用振幅检测法即 可。 • 单波束测深过程采取单点连续的测量方法，其测深数据分布特点是沿航迹 数据十分密集，而在测线间没有数据。
纵向安装偏差影响
• β 为换能器安装纵向安装偏差值， r为多波束系统测量的斜距，H为 水深，△h为水深偏差，△p为位 置偏差，黑色实线表示理论设计 波束及真地形，蓝色虚线表示实 际测量波束及假地形，纵向安装 偏差主要引起测点沿航迹线方向 发生前后位移。
辅助设备对多波束数据质量的影响
纵向安装偏差造成的水深误差
ci
zi
i
Ri xi
zi 1
ci 1
zi 1
i 1
z
z
辅助设备对多波束数据质量的影响
声速剖面对测量结果的影响
辅助设备对多波束数据质量的影响
潮汐改正
• 潮汐改正是在瞬时测深值中扣除海面时变影响，获得与时间无关的“稳态” 深度场。 • 潮汐改正对多波束测深条带的拼接具有重要影响，不合理的潮汐改正将导 致测深条带出现拼接断层现象。